Pomiar zawartości wilgoci: To bardziej skomplikowane, niż się wydaje

Zawartość wilgoci to odsetek wody w produkcie spożywczym lub innym materiale, wyrażony w stosunku do masy mokrej lub suchej tego materiału.

Ilość wody obecna w materiale wpływa na jakość produktu i jego trwałość, jednak sama zawartość wilgoci nie wystarcza do przewidzenia bezpieczeństwa lub stabilności produktu. Aby stwierdzić, czy produkt jest bezpieczny lub stabilny, należy również znać aktywność wody.

Czym jest zawartość wilgoci?

Zawartość wilgoci to po prostu ilość wody w materiale. Jest wyrażana jako odsetek całkowitej masy materiału (w stanie mokrym) lub odsetek suchej masy (w stanie suchym).

Mimo że obie metody mierzą ten sam materiał, dają różne wyniki, ponieważ wykorzystują odmienne masy odniesienia. W przypadku masy mokrej masą odniesienia jest masa całkowita (woda + sucha masa). W przypadku masy suchej masą odniesienia jest wyłącznie sucha masa. Oznacza to, że wartości w przeliczeniu na masę suchą będą zawsze wyższe niż w przeliczeniu na masę mokrą.

W żywności zawartość wilgoci wpływa na teksturę, wagę, lepkość, wygląd oraz podatność na psucie mikrobiologiczne. Wilgoć jest zazwyczaj najbardziej powszechnym składnikiem żywności, co czyni ją kluczową zmienną w składzie produktów spożywczych.

Jak mierzyć zawartość wilgoci

Zawartość wilgoci mierzy się zazwyczaj za pomocą jednej z trzech głównych metod:

• Suszenie wagowe (nazywane również metodami termograwimetrycznymi)
• Spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIR)
• Miareczkowanie Karla Fischera

Każda metoda opiera się na innej zasada działania i jest odpowiednia dla innych typów próbek.

1. Suszenie wagowe

Metoda ta polega na zmierzeniu masy próbki przed suszeniem i po nim. Próbkę suszy się w określonej temperaturze do osiągnięcia stałej masy. Zawartość wilgoci określa się poprzez obliczenie ubytku masy w procesie suszenia.

Suszenie wagowe to powszechna metoda analityczna służąca do oznaczania zawartości wilgoci w ciałach stałych i półstałych. Metoda suszarkowa, opisana w normach AOAC 930.15, 935.29, 950.46, 984.25 i innych, jest najczęściej stosowaną metodą oznaczania wilgoci w żywności, ponieważ wymaga minimalnej infrastruktury.

Jedną z wad metod suszarkowych jest to, że ciepło używane do suszenia próbki może powodować odparowanie innych związków lotnych, takich jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe czy alkohol. Oznacza to, że metody te mogą przeceniać zawartość wilgoci w niektórych próbkach.

Analizatory wilgoci (nazywane czasem wagosuszarkami) to unowocześniona wersja metody suszarkowej, która automatycznie mierzy i rejestruje ubytek masy. Są powszechnie stosowane w kontroli jakości, ponieważ są proste, szybkie i nie wymagają osobnego sprzętu wagowego.

2. Spektroskopia w bliskiej podczerwieni

Spektroskopia NIR identyfikuje skład materiałów na podstawie tego, jak absorbują i odbijają światło w zakresie bliskiej podczerwieni. Woda absorbuje światło NIR w charakterystyczny sposób, dzięki czemu technika ta może posłużyć do szybkiego szacowania zawartości wilgoci.

Główne zalety technologii NIR w pomiarze wilgoci to szybkość (wyniki w kilka sekund), nieniszczący charakter badań oraz łatwe wdrażanie w systemach in-line lub at-line podczas produkcji.

NIR jest metodą pomiaru pośredniego, co oznacza, że szacuje zawartość wilgoci na podstawie modelu statystycznego wytrenowanego na próbkach wzorcowych. Dokładność zależy od jakości i trafności modelu kalibracyjnego. Systemy NIR muszą zostać skalibrowane dla każdego konkretnego rodzaju produktu i zweryfikowane przy użyciu metody podstawowej przed ich wdrożeniem do rutynowego użytku.

3. Miareczkowanie Karla Fischera

Miareczkowanie Karla Fischera to metoda chemiczna, która bezpośrednio i wybiórczo mierzy zawartość wody, nawet na bardzo niskich poziomach. W przeciwieństwie do metod suszarkowych nie podlega zakłóceniom ze strony innych związków lotnych.

Miareczkowanie metodą Karla Fischera jest metodą referencyjną oznaczania zawartości wilgoci w wielu gałęziach przemysłu, w tym w produkcji farmaceutycznej (zgodnie z USP 921). Doskonale sprawdza się w przypadku produktów wymagających wysokiej dokładności lub takich, dla których suszenie w suszarce byłoby niedokładne lub niepraktyczne.

Wzory na zawartość wilgoci

Stosowany wzór zależy od tego, w jakiej bazie (mokrej czy suchej) prezentowane są wyniki.

Wzór na zawartość wilgoci w bazie mokrej

Wilgotność w bazie mokrej (%) = [(masa mokra – masa sucha) / masa mokra] x 100

Baza mokra jest częściej stosowana w przemyśle spożywczym i rolnictwie, ponieważ wyraża zawartość wody jako ułamek materiału w stanie dostarczenia. Czasami nazywa się ją również wilgotnością w stanie faktycznym.

Wzór na zawartość wilgoci w bazie suchej

Wilgotność w bazie suchej (%) = [(masa mokra – masa sucha) / masa sucha] x 100

Baza sucha jest powszechna w badaniach naukowych oraz w branżach takich jak przemysł zbożowy i paszowy, gdzie konieczne jest porównywanie próbek o różnym poziomie wilgotności. Jedną z konsekwencji raportowania w bazie suchej jest to, że wartości mogą przekraczać 100%, co czasami budzi dezorientację.

Bardziej precyzyjna analiza wilgotności

Pomiar zawartości wilgoci jest użytecznym pierwszym krokiem w charakterystyce materiału. Jednak zawartość wilgoci nie pozwala określić, czy obecna woda jest wolna i może wspierać rozwój drobnoustrojów lub napędzać reakcje pogarszające jakość.

Do tego wymagany jest pomiar aktywności wody.

Aktywność wody ($a_w$) informuje o stanie energetycznym wody w materiale – o tym, jak bardzo jest ona dostępna, aby działać jako reagent lub rozpuszczalnik. Produkty o takiej samej zawartości wilgoci mogą wykazywać zupełnie różną aktywność wody, a odmienna aktywność wody oznacza różne ryzyko zepsucia i zróżnicowaną trwałość półkową.

Aby w pełni scharakteryzować wilgotność w produkcie, należy zmierzyć zarówno zawartość wilgoci, jak i aktywność wody. Takie połączenie zapewnia informacje zarówno o ilości, jak i dostępności wody – co pozwala na podejmowanie świadomych decyzji dotyczących formulacji, przetwarzania, pakowania i okresu trwałości.

Często zadawane pytania

Czym jest zawartość wilgoci?

Zawartość wilgoci to procentowy udział wody w materiale, wyrażony względem masy całkowitej (baza mokra) lub masy suchej (baza sucha). Informuje ona o tym, ile wody jest obecne, ale nie o tym, czy woda ta jest wolna i może powodować psucie się produktu lub problemy z jakością.

Czy zawartość wilgoci to to samo co zawartość wody w żywności?

Pojęcia te są stosowane zamiennie w nauce o żywności – oba opisują procentowy udział wody w materiale pod względem masy. Istotne rozróżnienie nie dotyczy samych pojęć, lecz bazy raportowania: baza mokra wyraża wodę jako procent masy całkowitej, natomiast baza sucha wyraża ją wyłącznie jako procent suchej masy.

Jaki poziom zawartości wilgoci zapewnia żywności trwałość półkową?

Nie ma niezawodnego progu zawartości wilgoci określającego trwałość półkową, ponieważ dwa produkty o tej samej zawartości wilgoci mogą wykazywać bardzo różną aktywność wody w zależności od tego, jak silnie woda jest związana z cukrami, solami lub białkami. To aktywność wody – a nie zawartość wilgoci – jest pomiarem, który pozwala przewidzieć, czy wystąpi rozwój drobnoustrojów, psucie się produktu lub degradacja tekstury.

Czy mogę porównywać wartości zawartości wilgoci od dwóch różnych dostawców, jeśli stosują oni inne metody?

Nie w sposób wiarygodny, ponieważ różne metody mierzą co innego i nie są zamienne bez zweryfikowanego współczynnika konwersji. Nawet jeśli obaj dostawcy stosują metody bezpośrednie, jeden korzystający z suszenia w suszarce powietrznej, a drugi z metody Karla Fischera, uzyskają systematycznie różniące się wyniki dla tego samego produktu.

Czy sama zawartość wilgoci decyduje o tym, czy produkt spożywczy jest bezpieczny mikrobiologicznie?

Nie, ponieważ zawartość wilgoci nie pozwala rozróżnić wody silnie związanej z substancjami rozpuszczonymi od wody wolnej, która sprzyja rozwojowi drobnoustrojów. To aktywność wody jest parametrem określającym ryzyko mikrobiologiczne i to na niej opierają się przepisy bezpieczeństwa żywności, takie jak FSMA.